[中文]李伟,史宏达,刘臻,等.中国海洋能研究现状及未来发展建议[J].太阳能,2024,(07):79-88.
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20240603.01 文章编号：1003-0417(2024)07-79-10
中国海洋能研究现状及未来发展建议
李 伟 1 ，史宏达 2*，刘 臻 2 ，韩 治 2 ，曹飞飞 2 ，于通顺 2 ，
王雨樵 2 ，伦智昕 2 ，刘宏伟 1 ，孙 科 3
(1. 浙江大学海洋研究院，舟山 316021；2. 中国海洋大学工程学院，青岛 266100；3. 哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001)
摘 要：随着全球人口的增长、能源结构的转型和对可持续能源需求的增加，中国面临着优化其能源体系的紧迫任务。作为清洁、可再生的能源形式，海洋能成为国内外能源研究的焦点，其在中国具有巨大的开发潜力。在分析中国海洋能分布特征和发展现状的基础上，总结了中国海洋能开发的趋势，对未来的海洋能产业提出了构建面向“双碳”战略的海洋能顶层发展规划、建立健全海洋能技术的政策等建议，助力中国海洋能技术稳步发展。
关键词：海洋能；海洋能技术；波浪能；潮汐能；潮流能；发展建议
中图分类号：P741 文献标志码：A
海洋能作为依附于海水水体并具有可再生特性的自然资源，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能、温差能及盐差能等多种形式 [1]。根据国家海洋局组织实施的“近海海洋综合调查与评价专项”取得的调查结果，中国近海海洋能资源的潜力和分布情况已基本明确。中国拥有长达 1.8 万 km 的大陆海岸线和 1.4 万 km 的岛屿海岸线 [2]，其近海区域蕴藏的理论海洋能总量高达 15.8 亿 kW[3]，这不仅凸显了中国海洋能资源的广泛分布，也显示着巨大的开发潜力。本文旨在深入分析中国海洋能中波浪能、潮流能、潮汐能及温差能的分布特征，评估其当前的开发利用现状，并探讨中国海洋能发展的前景与面临的挑战；在此基础上提出建议，以期推动中国海洋能的高效开发与可持续利用。
1 中国海洋能分布特征
中国海洋能的总体特征是资源丰富但分布极不均匀，波浪能在空间分布上表现出明显的差异，南方地区沿岸海域的波功率密度高于北方地区沿岸海域 [4]；潮流能在浙江省沿岸海域最为丰富，占到全国潮流能总量的 50% 以上，其次是山东省、江苏省、福建省、台湾省、广东省、海南省和辽宁省，共占全国潮流能总量的 38% 左右 [5] ；潮汐能主要与潮差有关，中国近海受天文、径流及海湾形态等多种因素的影响，平均潮差的分布及变化特征较为复杂，总体分布规律为东海最大、黄海和渤海次之、南海最小 [6]。
按照国际上传统的统计方法计算，中国近海区域蕴含的海洋能总量约为 15.8 亿 kW，技术可开发量可达 6.5 亿 kW。中国 4 种海洋能的分布特征图如图 1[7] 所示。图片来源于 908 专项“中国近海海洋可再生能源调查与研究”项目调查资料，由国家海洋技术中心和国家海洋信息中心共同负责整编。
由图 1 可得：中国沿海潮汐能理论装机容量可达 1.9 亿 kW；近岸波浪能理论平均功率为 1600万 kW；潮流能理论平均功率为 1400 万 kW；温差能资源可供开发的装机容量约为 3.7 亿 kW。
2 中国海洋能发展现状
2.1 潮汐能
1958 年，中国开始研究潮汐能 [8]，并于 20世纪 60 年代开始建设潮汐电站，先后共建设了100 多座潮汐电站 [9]，在规划设计、装备制造、施工运营等各方面均积累了丰富的经验。目前，中国在运行的唯一 1 座潮汐电站为浙江省台州市温岭县的江厦潮汐电站 [10]，其现总装机容量为 4.2 MW，装机规模居世界第 4 位，是中国装机容量最大的潮汐电站。该电站自 1985 年投入运行以来工作至今，采用单库双向型设计运行方式，配备 6 台双向灯泡贯流式水轮发电机组 [11]，出于多能同场共享海域的思路，该电站目前与水上光伏发电系统进行联合运行。
目前，在国家政策及资金的支持下，中国已完成了对多个百万千瓦级潮汐电站的可行性研究，测算得到的平均出厂电价与其他国家潮汐电站发电成本相当 [12]，证明中国潮汐电站已进入商业化运行阶段 [13]。中国在潮汐能领域已经取得了显著的技术进步，成功掌握了拦坝式潮汐能发电机组、高效发电机组的设计与制造，以及电站的高效运行管理等技术 [14]，且此类发电机组在发电效率、复杂工况适应性等方面均已达到世界先进水平。
2.2 潮流能
中国拥有较为丰富的潮流能资源，并且近年来在潮流能发电技术方面取得了显著的发展[15]。哈尔滨工程大学、浙江大学、中国海洋大学等高校的研究团队进行了大量的研究工作，开展了不同形式潮流能发电机组样机(超过30 台)的海试，部分具有代表性的发电机组照片如图 2 所示。随着技术水平的提高，中国潮流能技术的商业化开发迅速推进，截至 2021 年，中国潮流能总装机容量已达 3.82 MW，居全球第 2，仅次于英国 [16]。
岱山县海洋新能源有限公司、浙江海洋大学、哈尔滨工程大学等单位联合研发的海能III 垂直轴式潮流能发电机组于 2017 年投入运行，年发电量超过 65 万 kWh。浙江大学研发的 650 kW 定桨型水平轴潮流能发电机组 ( 叶轮直径为 16 m，额定流速为 2.5 m/s) 于 2017 年投入运行，年发电量超过 36 万 kWh[17]。此外，浙江大学还建成了装机容量为 60、120 及 650 kW的系列化水平轴潮流能试验电站。国电联合动力技术有限公司与浙江大学联合研发的 300 kW电气变桨距水平轴潮流能发电机组 ( 叶轮直径为16.5 m，额定流速为 2 m/s) 于 2018 年实现跨年度并网发电 [18]，该发电机组启动流速为 0.5 m/s，整机能量转换效率为 40%，年发电量超过 42 万kWh。杭州江河水电科技股份有限公司与东北师范大学联合完成了装机容量为 300 kW 水平轴潮流能发电机组的海试，成功并网发电；该发电机组配备直径为 17.5 m 无源自变浆透平，额定工作流速为 2 m/s。
浙江舟山联合动能新能源开发有限公司 (LHD)继 2018 年累计研制了 5 台垂直轴、1 台 300 kW 水平轴机型后，于 2022 年 3 月建成了中国首台兆瓦级潮流能发电机组——“奋进号”，其叶轮直径为15.2 m，额定流速为3.4 m/s[19]，截至2024年1月28日，累计上网电量突破 300 万 kWh[20]。2023 年，中国海洋大学牵头研发的轮辋转子潮流能发电机组样机在青岛斋堂岛海洋能试验测试场成功海试 [21]，实现了低流速启动和高能量转换效率。
2.3 波浪能
中国波浪能发电装置的整机能量转换效率已达 15%～20%，系统能量转换效率已超 80%，这表明中国波浪能发电技术已与国际先进水平并驾齐驱 [22]。在“国家 863 计划”、国家海洋局“海洋能专项”、科技部“国家重点研发计划”和研发单位自主科研项目的推动下，中国已经系统性地开展了近海海域波浪能资源的调查，并评估了主要热点地区的开发潜力。
国内研发机构众多高校，比如：中科院广州能源研究所、中国海洋大学、大连理工大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工程大学、山东大学等，积极开展波浪能相关基础研究，在多尺度波浪、风 - 浪耦合等方面提出了多种新模型，并在水工模型试验、波浪能高效转换机理探索等领域取得了显著成果。目前，国内已完成实海况测试和样机投放的波浪能发电装置超 50 台，具有代表性的波浪能发电装置照片如图 3 所示。
中国科学院广州能源所开发了“鸭式”、“鹰式”及“哪吒”系列波浪能发电装置 [23-25]，装机容量在 10 kW～1 MW 之间不等，其中多台发电装置已实现并网发电，代表性发电装置“南鲲号”波浪能发电装置的单日发电量最多可满足3500 户家庭的用电需求 [26]。中国海洋大学牵头研发的 Rolling 波浪能发电装置，能在小波高下多自由度吸收波浪能，对中国的波浪条件有天然的适应能力 [27-28]。中国海洋大学和大连理工大学均开发了漂浮式振荡水柱波浪能发电装置，并均成功试航 1 年以上 [29-30]。哈尔滨工程大学先后研发了 10 kW 点吸式波浪能船 ( 与国家海洋技术中心联合研发 )、35 kW“海蘑菇”双浮体波浪能发电装置 ( 与山东大学联合研发 ) 和 3 kW“海豚号”截止式波浪能发电装置，后者可适应深远海，实际海试运行时间已近 2 年 [31]。清华大学的波龙气动式波浪能发电装置则展示了气动式技术与船体的有效结合。
此外，中国海洋测试场的建设也在加速进行，已建立了广东万山波浪能海上测试场、山东威海浅海海上测试场及山东青岛斋堂岛海上测试场 [32-33]，并建设了多个百千瓦级测试能力泊位，极大地促进了波浪能发电装置的测试与示范。
2.4 温差能
在科技部“十一五科技支撑项目”和国家海洋局“海洋能专项”的支持下，自然资源部第一海洋研究所成功完成了两个海洋温差能发电试验装置的建设和运行 [34]，其最大功率达到 15 kW，研发的系统循环效率为 5.17%，高于日本上原循环技术 4.97% 的循环效率，标志着中国在该领域达到国际领先水平 [35]。目前，第一海洋研究所已完成兆瓦级温差能电站的前期调研与验证工作，正在进行系统动能和压力能回收的试验研究，以期进一步提高系统发电效率。
东南大学在科技部“十三五”科技支撑项目的支持下，进行了 30 kW 南海海洋温差能发电平台样机的南海海试试验。南方海洋科学与工程实验室 ( 湛江 ) 在工信部资金的资助下，完成了 50 kW 海洋温差能发电测试系统的建设 [36]。此外，中国地质调查局广州海洋地质调查局在南海成功实施了 20 kW 海洋温差能发电系统的实海况海试，并在此过程中抽取了数吨深层冷海水 [37]。
3 中国海洋能发展存在的难题
从宏观能源体系的角度来看，海洋能资源的理论发电潜力巨大，但目前的开发程度和实际产出相对较低，与水电和风电相比，尚未实现大规模商业化应用 [38]。全球范围统计，海洋能发电在可再生能源发电中的占比不足 1%，处于“有能无电”的尴尬局面。尽管各种海洋能发电技术积累研发时间已超过 30 年，但在追求高能量转换效率与追求低成本开发之间找到平衡点，仍是一个挑战，资源、技术、工程、经济之间的链条尚未形成有效协调 [39]。尽管如此，海洋能仍是最具开发潜力的绿色能源，是中国沿海地区实现“双碳”目标的重要手段，其需要突破的关键问题包括资源识别、场景确定、技术示范、成本降低 [40-41]。
3.1 波浪能
中国在波浪能研究领域与欧美等国家相比，在产品和应用场景方面具有一定优势，但在基础研究与关键技术领域仍存在一定差距 [42]，主要体现在：国外机构拥有成熟的设计及优化软件 [43]；国内波浪能发电装置在材料、传感器技术、控制系统等方面与国际先进水平相比尚显不足 [44]。
3.2 潮流能
中国潮流能发电装置存在海试运行时间短、发电效率不高、易损坏等问题 [45]，实际海况下运行的可靠性、稳定性等相关技术亟待解决，与欧美发达国家相比，仍有一定差距 [46]。
3.3 潮汐能
中国在潮汐能发电领域的发展已达到国际前沿水平，尤其在商业化推进、核心技术及潮汐电站运维经验方面展现出明显优势 [47]。尽管如此，潮汐电站仍面临着海水腐蚀和泥沙淤积等技术难题，这些问题在一定程度上阻碍了潮汐能的进一步利用 [48]。因此，中国在潮汐能发电领域仍需要进一步增加研发投入，着力解决上述关键性问题，提高潮汐能利用效率。
3.4 温差能
在海洋温差能研究方面，中国虽然在发电系统循环效率上处于领先地位，但与美国、日本、韩国等国家相比，在技术成熟度和开发利用方面仍有较大差距，主要体现在：中国的温差能发电装置的装机容量仅限于 10 kW 级别，且所建设的试验装置多在实验室或船上进行测试 [36]；在深海水资源的综合利用和开发方面，与产业化目标仍存在较大差距 [49]。温差能利用时的前期资金投入较大，这也是其发展速度相较于其他能源形式较为缓慢的原因之一。
4 中国海洋能发展趋势
中国海洋能的发展主要呈现出两种开发应用模式：一是阵列化同场开发，即将多种海洋能利用集中在同一海域，形成规模性的海上电场，并通过“海电陆输”的方式并入电网；二是分布式开发，即将电源布置在用户附近，以海岛为应用场景，实现就近取能，减少长距离输电的需求。
4.1 阵列化同场开发
中国沿海地区风能资源较为丰富，但分布不均匀。目前，海上风电抢装热潮已过，逐步进入理性阶段，随着碳达峰目标日期的临近，海上风能继续在新能源结构中扮演重要角色。然而，与风能伴生的波浪能及与其互补的太阳能并未得到同步开发，导致中国海上清洁能源利用呈资源多样化而利用单一化的状况。
阵列化同场开发是以集约用海、多能联供、设施共享、智能运维为宗旨，充分利用风 - 浪联合、风 - 光互补、光 - 浪互偿等先进理念。在前期积累的理论研究与技术研发基础上，提出以风电场为基础，在同一海域联合开发波浪能、太阳能等资源的总体设计。依托海上风电场，将风力机与波浪能装置相结合，构建新型耦合发电系统，深度开发海上风能资源。特别是对于未来的漂浮式海上风电机组，其所耦合的波浪能发电装置可吸收冲击于漂浮式基础的波浪能，提高能量捕获效率，减少浮体摇摆，节约材料使用量，降低机组造价。此外，阵列化同场开发还可以在机组间的海域布设漂浮式光伏发电系统，与风电机组共享换能、升压、输电等设备。阵列化同场开发的关键技术包括：高效获能、大容量储能、电能管理、智慧运维。
4.2 分布式开发
分布式开发的战略意义首先在于提高能源供给的灵活性，降低电网供电压力。可再生能源并网存在输入侧与输出侧的双重不确定性，发电高峰与用电高峰错行，容易产生弃电，分布式开发不仅将发电与储能装置布置在靠近用户的地方，并通过控制策略响应电网需求，可以有效平抑电网峰谷差。
中国拥有众多岛屿，当岛内居民或工厂依赖陆地电源时，由于电厂与用户的距离较远，输送线路过长，导致能源损耗较高，且增加了投资成本，这在一定程度上制约了离岸经济的发展。因此，分布式开发的应用场景集中在海岛。海岛周边通常拥有种类丰富的清洁能源，包括海上风能、太阳能、波浪能、潮流能、潮汐能、温差能等，其随时间与地点的变化具有较大的随机性与不均匀性，往往需要互补利用，以提高供电保证率，结合储能与电源控制技术，可解决电网和需求侧之间的时间随机性矛盾。分布式开发的优势是，既能从海上汇集多种清洁能源，提高供电量与平衡性，充分发挥“就近取能、网储结合”的优势；又能应用于在海岛生活、海上生产、沿海科研等场景中，科学配置各种能源的装机容量，深度挖掘分布式供电、灵活经济的潜力。关键技术包括：阵列化高效获能、海岛储能、微网管理、便捷维护。因此，建议选择可容纳千人居民的海岛，以陆电托底，示范海洋能分布式开发关键技术。
5 中国海洋能发展建议
针对中国海洋能发展中存在的问题，建议从以下几个方面着手推动发展：
1) 加快构建面向“双碳”战略的海洋能发展顶层规划。基于中国海洋能资源总量与分布特征，瞄准国际海洋能发展的新赛道，聚焦高质量发展的新产业、新模式、新动能。明确国家牵头部门，围绕海洋能技术开发与产业化发展的战略需求，制定近、中、远期阶段性专项规划，统筹推进海洋能创新链、人才链，政策链、资金链和产业链的一体化发展。
2) 深度推进海洋能技术创新，突破关键核心壁垒。充分考虑不同种类海洋能的技术发展阶段，针对不同技术成熟度的能源类型，分阶段开展技术创新。对处于产业化前端的潮流能与波浪能，坚持以高校与企业联合体为主的合作模式、以“海能海用”为近期技术导向、产学研用深度融合，力争在共性关键技术上产生重大突破，推动形成海洋能技术创新链。在“十五五”期间，重点突破高效获能、高效储能、智慧电源、智慧运维等关键技术；新建 10 MW 级阵列化同场开发项目和 1 MW 级分布式开发项目各 5 个；建设 5 个左右的国家级创新研究基地；在 2040 年前建成 5家具有国际领先水平的海洋能开发与商业化运行企业，形成围绕产业培育的创新资源配置链条。
3) 建立健全海洋能技术的政策法规，解决发展中的“堵点”问题。海洋能技术的发展需要开展海上测试，目前在用海用地、环境观测等方面仍存在较大障碍，需要政策法规的支持。建议多部门协调，出台海洋能技术的用海、用岛政策，简化示范应用申报审批流程，完善海洋能减排量核算方法体系，消除政策与法律法规“堵点”，降低因政策法规缺失导致的多重风险。
4) 完善海洋能项目投融资机制，确保资金需求得到满足。海洋能产业链条长、资金需求大且融资期限较长，需要持久稳定投资。围绕不同技术成熟度的海洋能开发项目，政府投资应发挥引导作用，激发市场投资活力，引导社会资本与能源企业投资重点产业链和创新链项目，促成产业链利益相关者的商业合作，实现资金链与产业链供需精准对接。
5) 加快建设海洋能装置计量检测平台，鼓励能源企业的积极参与。针对海洋能技术的产业链开发需求，构建关键技术的计量检测平台，促进产业化过程中关键材料、设备与技术的科学评测与健康发展。协调利用国家实验室等顶层资源，由具备室内与海上综合测试能力 ( 人员、设备、技术与资质 ) 的科研机构承担建设第 3 方平台。鼓励国有能源企业投入，在相关的考核评价中，对海洋能产业的各类投入可按照传统可再生能源的 1.5 倍或 2.0 倍绩效计量。
6) 加强海洋能领域的专门人才培养和引进，促进国际交流与合作。围绕海洋能技术创新开发的核心需求，加强高校与企业间的人才培养合作，精准引进和全方位培养专业人才，实现人才链与产业链、创新链的有效对接。积极开展国内外技术合作交流，学习和借鉴国外成功技术实践和管理经验，提升技术的国际竞争力，实现海洋能技术“走出去”和“引进来”。
6 结论
随着全球对能源安全和可持续发展的重视，中国正面临着化石能源枯竭和人口增长带来的能源结构转型压力。在此背景下，海洋能凭借其巨大的储量和可再生性，成为优化能源结构、实现“双碳”目标的重要选择。本文通过综合分析中国海洋能发展的现状、挑战与未来趋势，提出了一系列针对性的发展建议：1) 虽然中国对各种海洋能的研发技术已积累超过 30 年的经验，但当前海洋能技术发展仍面临识别资源、确定场景、技术示范和降低成本等关键问题，需要政策支持、技术创新和市场机制的协同推进。2) 加快构建海洋能顶层发展规划、深度推进技术创新、完善投融资机制、建设计量检测平台和加强人才培养。旨在促进海洋能技术向成熟化、规模化发展，提高其在国家能源结构中的比例。3) 结合国家“双碳”战略的深入推进，中国海洋能产业将迎来快速发展的新机遇。海洋能的高效开发和利用不仅将为国家能源安全提供支撑，也将为全球可再生能源的发展做出贡献。
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